Метод оценки эффективности систем разработки месторождений полезных ископаемых

Ю.И.Анистратов, академик АГН, д.т.н., профессор С.А.Конопелько, горный инженер, МГГА

Разнообразие горно-геологических условий месторождений, сочетаний горных и транспортных машин в комплексной механизации горных работ, технологий и их постоянное совершенствование определило большое число систем разработки (Е.Ф.Шешко, Н.В.Мельников, В.В.Ржевский).


Для оценки систем открытой разработки месторождений полезных ископаемых применяется технико-экономический метод. Однако недостатком технико-экономического метода является то, что в нем используются величины, изменяющиеся во времени. Цены оборудования и услуг являются непостоянными и колеблются в зависимости от конъюнктуры рынка. В последнее время этот недостаток наиболее ощутим. Поэтому оценка использования вариантов технологии при различных системах разработки технико-экономическим методом затруднена.
Объективной оценкой технических и технологических решений по использованию в конкретных условиях систем разработки являются энергетические методы, которые используются в различных областях науки и техники.
Энергетический метод в горной науке разработал один из авторов этой статьи в 1969 г. Он использовался при выборе средств комплексной механизации технологических потоков в конкретных условиях.
Данный метод позволяет количественно учесть природные условия (топографию, климат, свойства горных пород и массива, гидрогеологические условия), схемы вскрытия и системы разработки, рабочие параметры горного и транспортного оборудования, особенности технологических процессов для выбора эффективного в конкретных условиях комплекта оборудования для технологического потока.
Сущность энергетического метода заключается в том, что для производства горных работ комплектом оборудования при определенной технологии, схеме вскрытия и способе разработки необходимо затратить энергию на дробление массива, выемку, погрузку, перемещение и укладку горной массы в отвал. При этом энергия расходуется на преодоление сопротивления в рабочих органах машин и совершение полезной работы по переводу объекта приложения энергии (горной породы) из одного состояния в другое.
Энергетический метод позволяет выбрать и обосновать эффективную комплексную механизацию путем определения энергопоглощения в технологических процессах открытых горных работ. Однако для оценки систем разработки энергетическим методом этого недостаточно.
Как было сказано, сущность открытой разработки месторождений заключается в перемещении вскрыши в отвалы, осуществляемом перевалкой, переэкскавацией или перевозкой пород, и извлечении полезного ископаемого с транспортированием его к пункту назначения. В этом случае, если представить единицу объема горной породы (м3) как материальную точку, перемещаемую из массива в отвал или к пункту назначения по некоторой траектории, то систему разработки можно оценивать с энергетических позиций как совершаемую работу силы в 1 ньютон при перемещении на 1 метр.
Из физики известно, что работа пропорциональна силе, действующей на некотором расстоянии

где F – сила, Н; L – перемещение, м.
Согласно технологии открытых горных работ объем породы определенной массы, находящийся в забое вскрышного уступа, перемещается на некоторое расстояние в отвал. При этом совершается работа силы, которую необходимо приложить для перемещения объема пород на расстояние от забоя вскрышного уступа до отвала.
Энергетическим показателем оценки технологии в этом случае, и в частности систем разработки, может являться совершаемая работа ( в системе СГС в эргах – (греч. эргон – дело, работа) работа силы в 1 дину на перемещении 1 см).
Совершаемую работу в результате выемки горной породы из массива и кинематики перемещения ее на некоторое расстояние в физическом выражении можно назвать “эргозатратами”, а количественную оценку систем разработки – “эргоемкостью”. Количественно эргозатраты зависят от свойств горных пород, их объема и параметров трассы перемещения.
Кинематика перемещения вскрышных пород зависит от системы разработки. По классификации проф. Е. Ф. Шешко – это поперек фронта работ, вдоль и комбинированное.

 


В зависимости от горно-геологических условий изменяется сложность кинематической схемы пути. Путь перемещения может быть простым, состоящим из одного или двух участков, или сложным – трех и более участков.
В системах разработки с поперечным перемещением вскрышных пород относительно фронта работ кинематическая схема строится следующим образом. При непосредственной перевалке вскрыши в выработанное пространство участок пути перемещения один – это путь от забоя до места разгрузки в отвал. Система разработки с кратной экскаваторной перевалкой вскрышных пород представлена двумя и более участками перемещения: участок от забоя до отвала и участок внутри отвала при переэкскавации. Система разработки с перемещением вскрышных пород отвалообразователями или транспортноотвальными мостами также состоит из двух участков – участок от забоя до загрузочной консоли и участок перемещения вскрыши отвалообразователем в отвал.
Кинематика перемещения вскрыши в системах разработки с продольным перемещением пород в отвалы транспортными средствами более сложная. Здесь возможны различные варианты в зависимости от горно-геологических условий месторождения. Если перемещение вскрыши осуществляется во внутренние отвалы, то путь делится на участок продольного перемещения по рабочим уступам карьера, участок по торцевой части карьера и участок перемещения на отвале.
Кинематика перемещения вскрыши в системах разработки с автомобильным транспортом на крутопадающих месторождениях зависит от геометрии эксплуатационного пространства карьера и может быть разделена на участки: в рабочей зоне, на бортах, поверхности карьера и отвале.
В кинематических схемах перемещения пород вскрыши при различных системах разработки горизонтальных и пологопадающих месторождений длина перемещения пород имеет большее значение по эргозатратам, чем высота перемещения. В системах разработки крутопадающих месторождений величины длины и высоты транспортирования имеют одинаково большое значение.
Исследования систем разработки месторождений открытым способом с учетом кинематики перемещения вскрыши показывают (табл. 1), что наименьшие эргозатраты имеют место в технологических схемах с перемещением вскрыши в выработанное пространство. Среди них системы разработки с перевалкой вскрыши в выработанное пространство драглайном, с расположением его на промежуточном отвале (райчихинская схема) и система разработки с перемещением вскрыши в выработанное пространство консольным отвалообразователем. Наибольшие эргозатраты в технологических схемах с перемещением вскрыши средствами транспортирования во внешние отвалы.

 


Если рассматривать системы разработки месторождений открытым способом с учетом кинематики перемещения вскрыши и одновременно полезного ископаемого, то получается более сложная картина, которая показывает, что кинематика вскрышного технологического потока существенно зависит от кинематики технологического потока полезного ископаемого.
Например, для обеспечения независимости работы добычного и вскрышного экскаваторов по фронту работ приходится увеличивать величину вскрытых запасов, то есть расстояние от забоя вскрышного уступа до отвала (рис. 1). При этом возникает необходимость перегона вскрышного оборудования холостым ходом по фронту работ или, в некоторых схемах, простоев на флангах добычного оборудования. Это, естественно, снижает эффективность системы разработки. Для учета этих обстоятельств, при оценке систем разработки месторождений открытым способом, необходимо рассматривать эргозатраты во времени.
В энергетической теории этому соответствует понятие эргомощности систем разработки

где А – эргозатраты (работа), Дж,
t – время работы систем, год.
В этом случае за единицу полезной работы необходимо принять годовую производительность комплекта оборудования: Qвскр - производительность вскрышных работ, Qпи - производительность по полезному ископаемому.
Тогда эргозатраты в общем виде:
по вскрыше

по полезному ископаемому

В сумме А = Ав + Апи , Дж/год.
В технологических схемах разработки, где добычной экскаватор следует за вскрышным и предусмотрены простои оборудования на флангах карьера, число рабочих смен определяется из следующего условия

 
где Тсм – число рабочих смен в год;
Qсм – сменная производительность, м3/см;
Vф – годовое подвигание фронта работ, м;
H – высота уступа, м;
Lф – длина фронта работ, м.
Предлагаемый метод предусматривает определение эргоемкости отработки всего объема полезного ископаемого по выбранной системе разработки. Результат суммарной эргоемкости выражается в Дж и складывается из затрат энергии вскрышных работ, добычных работ и транспортирования горной массы.

 


Исходными данными для расчета эргоемкости разработки горизонтального пластообразного и пологопадающего месторождений служат:
• геологические условия района месторождения, топография и климат;
• мощность вскрыши и пласта полезного ископаемого (м);
• объемы вскрышных пород и полезного ископаемого (м3);
• плотность вскрышных пород и полезного ископаемого (т/м3);
• удельное сопротивление пород копанию (Н/м2).
В конкретных условиях при проектировании нового карьера или его реконструкции оценка системы разработки эргетическим методом производится в следующем порядке.
1. Определяется род и вид оборудования, которым возможна разработка рассматриваемого месторождения. Для горизонтальных и пологопадающих месторождений это могут быть драглайны, вскрышные механические лопаты, роторные экскаваторы, цепные многоковшовые экскаваторы, либо транспортно-отвальные мосты.
2. Производится анализ месторождения, в ходе которого исследуется распределение объемов вскрышных и добычных работ по вариантам направления развития горных работ в пределах карьерного поля.
Варианты сравниваются по критериям: минимум объемов горно-строительных работ, меньшие объемы вскрыши в первый период эксплуатации карьера и наибольшие объемы добываемого полезного ископаемого, минимальные колебания текущего коэффициента вскрыши в период эксплуатации карьера.
Для варианта, отвечающего этим критериям, составляется календарный график годовых объемов вскрышных и добычных работ и определяется максимально возможная по горнотехническим условиям производительность карьера по полезному ископаемому.
3. Для обеспечения установленной производительности карьера по полезному ископаемому и вскрыше формируются варианты комплексной механизации вскрышных и добычных работ.
4. Конструируются технологические схемы для возможных вариантов комплексной механизации вскрышных и добычных работ в плоскости и плане.
5. Определяются возможные варианты вскрытия карьерного поля и устанавливаются кинематические схемы перемещения вскрышных пород и полезного ископаемого.
6. Производится оценка вариантов технологических схем по величине эргозатрат в течение года (А = Аэ + Ат).
При использовании одноковшовых экскаваторов

где kf - удельное сопротивление пород копанию, Н/м2;;
B - ширина ковша экскаватора, м;
hч - высота черпания экскаватора (по технической характеристике), м;
nк - количество черпания одноковшового экскаватора, необходимое для отработки объема пород (для экскаваторов непрерывного действия;
nк - количество разгружаемых ковшей;
 
где kр - коэффициент разрыхления пород в забое;
kн - коэффициент наполнения ковша экскаватора;
h – высота уступа, м;
с – плотность пород, кг/м3;
hэ – эргетический показатель разработки горных пород, определяемый из технологической схемы в плоскости.
Годовая эргоемкость транспортирования горной массы

Параметры определяются из кинематической схемы транспортирования горной массы,
где Нтр – разница высотных отметок пункта загрузки и пункта разгрузки горной массы, м;
Lф – расстояние перемещения горной массы средствами транспортирования вдоль фронта работ, м;
Lт – расстояние перемещения горной массы средствами транспортирования по торцевой части карьера, м;
Lп – расстояние перемещения горной массы средствами транспортирования по отвалам, м;
ωо – основное сопротивление движению, возникающее при транспортировании горной массы по конвейерам роторного экскаватора, Н/Н.
7. Для схемы с минимальным значением эргозатрат определяется типоразмер горного и транспортного оборудования.
Эффективность метода эргетической оценки можно видеть из примера выбора системы разработки Бегичевского буроугольного месторождения со следующими горнотехническими условиями: горизонтальное залегание месторождения с мощностью угольного пласта полезного ископаемого Ну = 10 м и мощностью вскрыши Нв = 30 м.
В результате анализа месторождения годовой объем добычи составил 1.8 млн м3, вскрыши – 5.4 млн м3 при длине фронта работ 2 км и скорости подвигания фронта работ 30 м в год.
Возможные технологии горных работ в данных условиях: 1) перевалка вскрыши в выработанное пространство драглайном с расположением на кровле вскрышного уступа; 2) перемещение вскрыши в выработанное пространство консольным отвалообразователем от роторного экскаватора. На добычных работах механическая лопата с транспортированием полезного ископаемого автомобильным транспортом.
Варианты вскрытия карьерного поля: 1) фланговые траншеи; 2) центральная и фланговые траншеи.
ТехнологиИя горных работ в первом варианте
Драглайн впереди добычного экскаватора с опережением lо = 150 м и располагается на горизонте установки с минимальным расстоянием до верхней бровки уступа.
При отработке заходки драглайн останавливается и ожидает добычной экскаватор, затем начинает новую заходку. Добычной начинает работу после создания необходимого опережения относительно вскрышного экскаватора.
Скорость подвигания вскрышной и добычной заходок одинакова.
Для производства вскрышных работ по соответствию рабочих параметров принимается драглайн ЭШ 25/120 производительностью

 

Годовая производительность вскрыш-ного экскаватора при 300 рабочих днях и 2 сменах в сутки
Qгод=Qсм.Tг=9600.600=5760000 м3/год
На добычных работах для разработки пласта мощностью 10 м принимается карьерная мехлопата ЭКГ – 5У производительностью

 
Для выполнения годового объема вскрышных работ драглайном необходимо

 
Время простоев в торцевых частях фронта составляет

 

С учетом простоев на флангах общее число рабочих смен драглайна в год составит
Тг = 563 + 35 = 598 см, что соответствует принятому режиму работы карьера в течение года.
Число рабочих дней по добыче полезного ископаемого 365 при трехсменной работе карьера.
Расчет годовой эргоемкости вскрышных работ в этом варианте представляется в следующем виде.
Анализ кинематики в технологической схеме показал, что при черпании в забое перемещение по высоте составляет hч = 30 м, горизонтальная составляющая при перемещении породы в отвал l = 86 м, угол подъема ϕ = 3°.


При ρ = 1000 кг/м3, Vф = 90 м – годовое подвигание фронта работ.

Авскр = 9,81•1000•90 •30• 2000• (30 + 86/cosϕ )= 6151236 МДж .

Годовая эргоемкость добычных работ (рис. 2).


Кинематические параметры технологии разработки забоя полезного ископаемого hч = 8 м; l = 15 м.

При ρ = 1000 кг/м3, Vф = 90 м – годовое подвигание фронта работ.

Апи = 9,81100090302000(8+20) =  4944240 МДж .

Годовая эргоемкость транспортирования полезного ископаемого.
Длина траншей по горизонтали 300 м, угол подъема 5о. Длина транспортирования полезного ископаемого по поверхности от выездов фланговых траншей до пункта разгрузки 1000 м. Длина транспортирования полезного ископаемого по поверхности от выезда центральной траншеи до пункта разгрузки 700 м.


Вариант 1. Вскрытие парными траншеями.
При Lф = 1000 м – среднее расстояние транспортирования по фронту работ в карьере.

 

Вариант 2. Вскрытие тремя траншеями.
При Lф = 500 м – среднее расстояние транспортирования по фронту работ в карьере.

 

Общая годовая эргоемкость разработки месторождения
А = Авскр + Апи + Атр.
По первому варианту вскрытия
А = 6151236+4944240+ 3957011=15052487 МДж.
По второму варианту вскрытия
А = 6151236+4944240+2826899 = 13922375 МДж.
Технологии горных работ во втором варианте
Вскрышные работы производятся роторным экскаватором с отвалообразователем. Годовой производительностью и необходимыми параметрами обладает комплект горного оборудования ЭРП – 5250Вс и ОШР – 5000/95.
При отработке заходки по всей длине фронта роторный экскаватор останавливается и ожидает добычной экскаватор, затем роторный экскаватор начинает новую заходку. Добычной начинает работу после создания необходимого опережения относительно вскрышного экскаватора.
Скорость подвигания вскрышной и добычной заходки одинакова.
Для производства вскрышных работ по соответствию рабочих параметров принимается роторный экскаватор ЭРП – 5250В с производительностью


На добыче для разработки угольного пласта мощностью 10 м принимается карьерная мехлопата ЭКГ – 5У производительностью


Для выполнения годового объема вскрышных работ роторным экскаватором необходимо

 
Время простоев в торцевых частях фронта составляет

 

С учетом простоев на флангах общее число рабочих смен в год составит
Тг = 563 + 35 = 598 см,
что соответствует принятому режиму работы карьера в течение года.
Число рабочих дней по добыче полезного ископаемого 365 при трехсменной работе карьера.
Расчет годовой эргоемкости вскрышных работ в этом варианте представляется в следующем виде.
Анализ кинематики в технологической схеме показал, что горизонталь-ная составляющая при перемещении породы в отвал l = 86 м, угол подъема ϕ = 24°.

 

При ρ = 1000 кг/м3, Vф = 90 м – годовое подвигание фронта работ.

 
Годовая эргоемкость добычных работ (рис. 2).
Кинематические параметры технологии разработки забоя полезного ископаемого hч = 8 м; l = 15 м.
 
При ρ = 1000 кг/м3, Vф = 90 м – годовое подвигание фронта работ.
 
Годовая эргоемкость транспортирования полезного ископаемого.
Длина траншей по горизонтали 300 м, угол подъема 5о. Длина транспортирования полезного ископаемого по поверхности от выездов фланговых траншей до пункта разгрузки 1000 м. Длина транспортирования полезного ископаемого по поверхности от выезда центральной траншеи до пункта разгрузки 700 м.


Вариант 1. Вскрытие парными траншеями.
При Lф = 1000 м – среднее расстояние транспортирования по фронту работ в карьере.

Вариант 2. Вскрытие тремя траншеями.
При Lф = 500 м – среднее расстояние транспортирования по фронту работ в карьере.


Общая годовая эргоемкость разработки месторождения
А = Авскр + Апи + Атр.
По первому варианту вскрытия
А = 4233070 + 4944240+ 3957011= 13134321 МДж.
По второму варианту вскрытия
А = 4233070 +4944240 +2826899 = 12004209 МДж.
Сравнение вариантов технологии разработки Бегичевского буроугольного месторождения по эргетическому критерию показывает эффективность применения системы разработки с перемещением пород вскрыши в выработанное пространство консольным отвалообразователем от роторного экскаватора.
Сравнение систем разработки по физическому показателю (эргоемкости) связано, как сказано выше, с природными условиями месторождения, кинематикой процессов выемки, перемещения и отвалообразования вскрышных пород, с организацией вскрышных и добычных работ в эксплуатационном пространстве карьера и способами вскрытия карьерного поля. Такое сравнение является реальным отражением технологии, механизации и организации горных работ, а, следовательно, и реальных затрат при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом.
Предлагаемый метод оценки систем разработки позволяет направить усилия исследователей и проектировщиков на совершенствование систем разработки, вскрытия карьерных полей, комплексной механизации горных работ, а также на создание новых технологий и техники для открытой разработки месторождений полезных ископаемых.

Журнал "Горная Промышленность" №4 1998